能量输入对新型Mn和Mg共改性高强度铝合金多尺度结构-性能演变的影响：该合金通过粉末床熔融激光束工艺制备

《Journal of Alloys and Compounds》：Energy Input Effect on Multiscale Structure-Property Evolution of a Novel Mn and Mg Co-modified High-strength Aluminum Alloy Processed by Powder Bed Fused-Laser Beam

熔池不稳定和易燃性是Mg铝合金增材制造的主要挑战。本研究通过部分用Mn替代Mg，提出一种兼顾性能与安全的合金设计策略。实验表明，体积能量密度（77.38-137.50 J/mm3）调控可使合金获得99.5%以上相对密度，形成细晶（88.8%）与粗晶（中心区）的梯度组织，并析出纳米Al?Mn相。最终实现454 MPa抗拉强度和14%延伸率的协同强化效果。

　　在现代材料科学领域，高性能铝合金因其优异的强度和轻量化特性，成为航空航天等高端制造行业的关键材料。然而，传统的粉末床熔融-激光束（PBF-LB）增材制造工艺在加工这类合金时面临诸多挑战。特别是含有镁（Mg）的高强铝合金，由于镁在熔融过程中的高蒸发倾向，容易导致熔池不稳定，从而引发缺陷，影响最终产品的质量。此外，镁的易燃性也对工业安全构成潜在威胁，尤其是在粉末的处理、储存和运输过程中，存在粉尘爆炸和意外点燃的风险。这些限制使得在增材制造中提高镁含量以增强性能变得困难重重。

为了解决上述问题，本研究提出了一种创新的合金设计策略，即通过部分替代镁元素为锰（Mn），从而有效抑制由镁蒸发引起的缺陷，同时确保工业安全性。这一策略不仅能够降低镁的蒸发风险，还能够通过锰的高熔点特性提升材料在加工过程中的稳定性。此外，锰和镁的协同作用能够进一步优化合金的微观结构和机械性能，使其在保持高强度的同时，具备良好的延展性。在这一研究中，我们特别关注了体积能量密度（VED）对合金加工性能、多尺度微观结构以及力学性能的影响，旨在揭示VED如何调节熔池动态、元素分布和纳米析出相的形成，从而实现性能与安全性的双重优化。

体积能量密度是影响增材制造过程中材料行为的重要参数之一。它不仅决定了熔池的稳定性，还直接影响最终产品的致密度、晶粒形态以及纳米析出相的分布。在PBF-LB工艺中，能量输入的大小需要精确控制，以避免因能量过高而引发熔池中的孔洞效应或元素蒸发，同时也要防止能量过低导致粉末未完全熔合，从而产生缺陷。因此，体积能量密度的优化需要在熔池润湿性、热梯度和凝固速率之间取得平衡。此外，体积能量密度还对梯度晶粒结构的形成具有重要影响，通过调节能量输入，可以实现不同区域晶粒形态的差异化，从而优化材料的整体性能。

本研究采用了一种专用的Al-4.9Mn-1.1Mg-0.8Sc预合金粉末，系统地探讨了体积能量密度对合金加工性能的影响。实验结果显示，不同体积能量密度参数下，合金的致密度、晶粒形态以及纳米析出相的分布均发生了显著变化。例如，在体积能量密度为100.00 J/mm3时，合金表现出以等轴晶为主的晶粒结构，同时其<001>取向的强度显著减弱。这种变化不仅有助于改善合金的加工性能，还能够通过晶粒细化和纳米析出相的增强，提高材料的结构稳定性。此外，体积能量密度的调节还能够影响合金的拉伸性能，通过优化能量输入，实现强度和延展性的平衡。

研究还发现，随着体积能量密度的增加，合金的致密度也随之提高，最终在所有参数条件下均达到了超过99.5%的相对密度。这表明，通过合理控制体积能量密度，可以有效减少孔隙率，提高材料的整体性能。同时，体积能量密度的调节还能够影响合金的微观结构演化，例如在较高能量输入下，熔池边界处形成了细小的等轴晶，而在中心区域则出现了较大的柱状晶。这种双峰晶粒结构不仅有助于提高材料的强度，还能够通过晶粒细化增强其延展性，从而实现性能的全面提升。

此外，本研究还探讨了Mn和Mg的协同作用对合金性能的影响。结果显示，Mn的添加不仅能够有效抑制镁的蒸发，还能通过其高固溶度特性，在Al基体中形成稳定的固溶强化效应。同时，Mn和Mg的协同作用还能够促进纳米级析出相的形成，从而增强材料的结构稳定性。这些析出相在微观结构中起到了关键的强化作用，使得合金在保持高强度的同时，具备良好的塑性。实验结果表明，该合金在体积能量密度为100.00 J/mm3时，表现出最佳的综合性能，其极限抗拉强度达到454 MPa，延展率达到14%。这表明，通过合理设计合金成分和优化加工参数，可以实现性能与安全性的双重提升。

本研究的创新点在于，通过部分替代镁为锰，构建了一种多组分协同调控的Al-Mn-Mg-Sc合金体系。这一策略不仅能够有效减少镁的蒸发风险，还能够通过锰的高熔点特性提升材料的加工稳定性。同时，锰和钪（Sc）的协同作用能够进一步优化合金的微观结构，使其在保持高强度的同时，具备良好的延展性。这种多组分协同调控的策略为增材制造中的高性能铝合金设计提供了新的思路，也为工业应用中的安全性和生产可行性提供了保障。

本研究的实验方法包括系统的工艺参数调整、微观结构表征以及力学性能测试。通过精确控制体积能量密度、熔池几何参数以及晶粒细化速率，我们能够全面分析合金的加工行为和微观结构演化。实验结果表明，体积能量密度的调节不仅影响熔池的稳定性，还能够通过调控晶粒形态和析出相分布，实现材料性能的优化。此外，本研究还揭示了体积能量密度与材料性能之间的复杂关系，为增材制造工艺的优化提供了理论依据。

在工业应用方面，本研究提出的合金设计策略具有重要的工程价值。通过降低镁含量，提高锰含量，不仅能够有效提升材料的加工安全性，还能够通过多组分协同作用增强合金的综合性能。这一策略为航空航天领域的轻量化组件制造提供了新的技术路径，同时也为其他工业领域的高性能铝合金增材制造提供了借鉴。通过优化体积能量密度，我们能够在保持材料强度的同时，提高其延展性，从而满足不同应用场景对材料性能的需求。

本研究的成果不仅拓展了Mn和Mg协同调控的高强铝合金在增材制造中的应用边界，还为多组分铝合金的工艺-结构-性能协同优化提供了新的技术路径。通过系统分析体积能量密度对合金加工性能的影响，我们能够更好地理解材料在不同加工条件下的行为，从而实现对材料性能的精确调控。此外，本研究还揭示了体积能量密度与微观结构之间的相互作用，为未来增材制造工艺的优化提供了重要的理论支持。

综上所述，本研究通过引入Mn部分替代Mg，构建了一种多组分协同调控的Al-Mn-Mg-Sc合金体系，并系统探讨了体积能量密度对合金加工性能、多尺度微观结构以及力学性能的影响。实验结果表明，体积能量密度的优化能够有效减少孔隙率，提高材料的致密度和结构稳定性，同时实现强度与延展性的平衡。此外，Mn和Mg的协同作用能够进一步增强合金的综合性能，使其在保持高强度的同时，具备良好的塑性。这一研究不仅为高性能铝合金的增材制造提供了新的思路，还为工业应用中的安全性和生产可行性提供了保障。通过深入分析工艺参数与材料性能之间的关系，我们能够更好地理解增材制造过程中材料行为的规律，从而推动高性能铝合金在航空航天等领域的广泛应用。